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Die Crème de la Crème der Kontaktallergietests geht in vitro

Die Kosmetikindustrie sucht verzweifelt nach Auswegen aus der Klemme. Dass eine Chemikalie in einem Parfüm oder einer Handlotion keine Kontaktallergie der Haut auslöst, muss laut EU-Gesetz spätestens ab 2013 ohne Tierversuche nachgewiesen werden. Prof. Dr. Stefan Martin von der Universitäts-Hautklinik Freiburg hat zusammen mit Kooperationspartnern im Rahmen des großen EU-Forschungsprojekts „Sens-it-iv“ fünf Jahre lang nach Alternativen gesucht. Die Forscher haben den spezifischsten In-vitro-Test entwickelt, der denkbar ist, und wurden nun sogar vom Land Baden-Württemberg geehrt. Was verrät ihnen eine T-Zelle?

Ekzeme als Folge einer Kontaktallergie. © Prof. Dr. Stefan Martin

Chemikalien in Haushaltsreinigern, nickelhaltiger Schmuck, flüchtige Stoffe in Parfüms oder in der Hautcreme – etwa viertausend Substanzen sind heute bekannt, die eine Kontaktdermatitis auslösen können. Hautrötungen, Juckreiz und nässende Hautstellen können die unangenehme Folge sein. Wird die allergische Erkrankung chronisch, dann müssen Menschen den Kontakt mit den Auslösern einstellen. In vielen Fällen bedeutet das: Schluss mit dem Beruf. Denn die Kontaktdermatitis entwickeln viele gerade im regelmäßigen Umgang mit Chemikalien am Arbeitsplatz.

Um solchen Problemen vorzubeugen, versuchen Forscher und Industrie, Kontaktallergene zu identifizieren und ihr Vorkommen in der Umwelt zu vermeiden. „Bisher waren hierfür Tierversuche die einzige Lösung“, sagt Prof. Dr. Stefan Martin von der Forschergruppe Allergologie der Universitäts-Hautklinik Freiburg. „Seit 2009 hat die EU solche Tierversuche für die Kosmetik verboten.“

Die Suche hat begonnen

In der Kosmetikindustrie löste das eine Unruhe aus: Wie sollen von nun an neue Parfüms oder Shampoos auf kontaktallergene Inhaltsstoffe hin getestet werden, damit die Marktzulassung erteilt werden kann? „Eine Alternative zu Tierversuchen stellen Tests dar, die in der Zellkultur durchgeführt werden“, sagt Martin. „Aber die Entwicklung solcher Tests war bisher nicht intensiv genug vorangetrieben worden. Dies liegt sicher an dem erst in den letzen vier bis fünf Jahren rapiden Wissenszuwachs bezüglich des Verständnisses des Ablaufs der Kontaktallergie, zum anderen vielleicht aber auch daran, dass kein zwingender Bedarf bestanden hat und finanzielle Förderung entsprechender Projekte unzureichend vorhanden war.“

Dabei wären In-vitro-Tests nicht nur aus ethischen Gründen geboten, sondern auch billiger als Versuche mit Mäusen oder Ratten. Seit 2005 suchen Forscher aus der Industrie und der Grundlagenforschung daher intensiviert nach Möglichkeiten, Kontaktallergene in der Kulturschale nachzuweisen. Die EU hat zu diesem Zweck das Projekt „Sens-it-iv“ ins Leben gerufen, bei dem rund 30 Forschungsgruppen aus der EU zusammen mit Akteuren aus der Kosmetikindustrie zwischen 2005 und 2011 neues Know-how entwickeln sollten.

Dendritische Zellen aus der Haut (grüngelb) sind in die T-Zell-Region des Lymphknotens eingewandert. Dort können sie T-Zellen (rot) aktivieren. © Prof. Dr. Stefan Martin

Dabei gibt es zahlreiche Ansätze. Denn heute sind die molekularen und zellulären Prozesse, die zu einer Kontaktallergie führen, gut bekannt. An ihrer Erforschung war die Forschungsgruppe von Martin maßgeblich beteiligt. So ist klar, dass Kontaktallergene wie Nickelionen oder andere niedermolekulare Substanzen nach Eintritt ins Hautgewebe zunächst mit Proteinen wechselwirken, etwa auf der Oberfläche von Zellen. Dieser Schritt ist wichtig, weil er dazu führt, dass viele Zelltypen bestimmte molekulare Antworten einleiten.

Martin und sein Team konnten zum Beispiel in den letzten Jahren zeigen, dass eine der wichtigsten Folgen die Reifung von sogenannten dendritischen Zellen des Immunsystems ist. Diese Zellen können nach Kontakt mit einem Allergen in lokale Lymphknoten wandern und dort unreife T-Zellen „aktivieren“. „Das ist im Prinzip der entscheidende Schritt bei einer Kontaktallergie“, sagt Martin. „Die von dendritischen Zellen aktivierten T-Zellen produzieren Rezeptorproteine an ihrer Oberfläche, die spezifisch für das jeweilige Kontaktallergen sind.“

Der spezifischste Test von allen

Diese Rezeptorproteine funktionieren wie Sonden. Die spezifisch aktivierten T-Zellen wandern zurück in die Haut und können dort von dem jeweiligen Kontaktallergen stimuliert werden, woraufhin sie eine Antwort des Immunsystems auslösen. Eine Subpopulation der T-Zellen bleibt als sogenannte Gedächtniszellen im Hautgewebe zurück. Diese Zellen können beim erneuten Eintritt des jeweiligen Allergens sofort Alarm schlagen und verschiedene Botenstoffe wie Interferon gamma und TNF alpha ausschütten. Und diese Botenstoffe locken dann wieder eine ganze Batterie von Immunzellen an – die allergische Reaktion tritt auf, selbst bei kleinsten Mengen des Allergens.

Zahlreiche Teilschritte dieser Prozesse haben die Forscher nun im Projekt „Sens-it-iv“ unter die Lupe genommen. Sie haben versucht, Teile des Systems in der Kulturschale nachzubauen und so zu gestalten, dass sie auf Kontaktallergene die typischen Reaktionen zeigen, die auch im Gewebe ablaufen. Löst ein unbekannter Stoff in der Zellkulturschale die entsprechende Reaktion aus, dann könnte es sich um ein Kontaktallergen handeln. Allerdings laufen viele dieser Zwischenschritte auch ab, wenn Stoffe ins Gewebe eintreten, die keine wirklichen Kontaktallergene sind. So können beispielweise dendritische Zellen auch von sogenannten Irritanzien stimuliert werden, also Molekülen, die letztlich nur eine akute Hautreaktion bewirken, ohne dass eine echte Allergie die Folge wäre. Und auch Viren und Bakterien können ähnliche Reaktionen auslösen.

Die Aktivierung der T-Zellen durch die dendritischen Zellen nach Präsentation von Kontaktallergenen ist der entscheidende Schritt, damit eine Kontaktallergie auftritt. © Prof. Dr. Stefan Martin

„Keiner der Tests ist daher aufgrund der immunologischen Grundlagen hundertprozentig spezifisch für Kontaktallergene“, sagt Martin. Der T-Zell-Test, den Martin, sein Mitarbeiter Dr. Philipp Esser, die Kooperationspartner Dr. Lisa Dietz und Privatdozent Dr. Hermann-Josef Thierse von der Universitäts-Klinik Mannheim sowie weitere Kollaborationspartner des „Sens-it-iv“ Projekts entwickelt haben, ahmt jedoch den spezifischsten Schritt der Immunantwort auf Kontaktallergen in vitro nach. Denn die Forscher haben sich den Prozess ausgesucht, bei dem sich entscheidet, ob eine Kontaktallergie auftritt oder nicht: die Aktivierung von spezifischen T-Zellen in den Lymphknoten durch dendritische Zellen.

Die Basis des Tests stellen aus Spenderblut isolierte naive T-Zellen und aus Blutzellen hergestellte dendritische Zellen dar. Diese zwei Zelltypen kultivieren die Forscher in einer Zellkulturschale und bringen sie dann in Kontakt mit dem Stoff, dessen Wirkung als Kontaktallergen in Frage steht. Führt die Substanz dazu, dass die dendritischen Zellen reifen und die T-Zellen aktivieren? Schütten die aktivierten T-Zellen bei erneutem Kontakt mit der Substanz Botenstoffe wie Interferon gamma und TNF alpha aus, die das Immunsystem alarmieren können? Und zwar nur, wenn es sich um diese eine spezifische Substanz handelt?

Eine preisgekrönte Arbeit

Dieser Test wurde bisher in Mäusen durchgeführt und galt als der Goldstandard. Die Forscher hatten also Vorarbeiten, auf denen sie aufbauen konnten. Allerdings musste das Know-how auf die menschliche Zellkultur übertragen werden, was die Entwicklung neuer Laborprotokolle bedeutete, beispielsweise was die Kultivierung von T-Zellen und dendritischen Zellen anbelangt. Außerdem mussten Martin und Co. einen Weg finden, die Test-Substanzen löslich zu halten und etwaige toxische Nebenwirkungen auszuschließen. Mit den Mannheimer Forschern entwickelten sie daher eine Art Fähre. Durch Kopplung an menschliches Serumalbumin, ein Protein aus dem menschlichen Blut, gelang es ihnen, diese Probleme auszuschließen und die Test-Substanz an ihren Wirkort auf der Oberfläche von dendritischen Zellen zu bringen.

Drei der im Projekt „Sens-it-iv“ entwickelten Tests gehen jetzt in die Validierungsphase, während derer sie von Behörden getestet werden. Fünf weitere, unter anderem der von der Martin-Gruppe und Kooperationspartnern, sind inzwischen standardisiert und sollen in den nächsten Jahren bis zur Validierungsreife weiterentwickelt werden. Das EU-Projekt ist zwar 2011 zu Ende gegangen, aber Martin und sein Team haben einen Sponsor gefunden. Zusammen mit dem Kosmetikindustrie-Konsortium Cosmetics Europe arbeiten sie jetzt mit Kollaborationspartnern aus Lyon daran, den Test sensibler zu machen. Vor allem aber ist das große Ziel, eine quantitative Komponente zu etablieren. „Die Kosmetikindustrie ist nämlich daran interessiert, allergene Substanzen auch auf ihre Potenz hin zu testen“, sagt Martin. Handelt es sich um ein starkes oder um ein schwaches Kontaktallergen? Eine Frage, die über Leben und Tod eines Produkts entscheiden kann, denn für allergene Substanzen in Kosmetika gelten oft Schwellengrenzen. Die Kosmetikindustrie sucht händeringend nach In-vitro-Tests, die eine solche Einstufung erlauben.

Weil die Entwicklung des Tests einen wichtigen Beitrag zum Tierschutz leistet, hat das Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz des Landes Baden-Württemberg in diesem Jahr den Tierschutzforschungspreis des Landes an Martin, Esser, Dietz und Thierse verliehen. Die 25.000 Euro sollen laut den Forschern, die sich sehr über die Auszeichnung freuen, direkt in die neuen Projekte fließen.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Interferone sind drei Arten eng verwandter Proteine (a, b- und g-Interferon), die bei einer Virusinfektion von unterschiedlichen Zellen ausgeschüttet werden. Sie verhindern die Virusvermehrung. Interferone werden auch bei der Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Eine Zellkultur ist ein Pool von gleichartigen Zellen, die aus mehrzelligen Organismen isoliert wurden und in künstlichem Nährmedium für Forschungsexperimente im Labor (in vitro) gehalten werden.
  • Validierung oder Validation ist der Prozess der Prüfung einer These oder eines Lösungsansatzes in Bezug auf das zu lösende Problem.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • T-Lymphozyten oder kurz T-Zellen sind wichtige Zellen der Immunabwehr (weiße Blutkörperchen), die Fremdstoffe (Antigene) erkennen, wenn sie an die Oberfläche anderer Zellen gebunden sind. T-Lymphozyten sind zusammen mit B-Lymphozyten an der erworbenen (adaptiven) Immunantwort beteiligt, d.h. sie reagieren spezifisch auf einen Erreger.
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